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Verfahren zum Herstellen eines zum Zementieren von Stahl geeigneten
Gases Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zum Zementieren
von Stahl geeigneten Gases mittels Mischungen von Gasen, die als flüchtige Bestandteile
aus der Kohle als sogenanntes Stadtgas erzeugt und durch städtische Leitungen verteilt
werden. Das Stadtgas enthält Kohlensäure, Kohlenoxyd, Methan, ungesättigte Kohlenstoffverbindungen
der allgemeinen Formel C"H"" Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf.
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Die volumetrische Zusammensetzung eines trockenen Stadtgases ist beispielsweise
3,8 % C 02, 1810 % CO, 15,5010C1-1" 2, 2 % C" H,", .t 1,o % H" o18 % 02, 18,7% N2.
Das Stadtgas kann auch Spuren von Schwefel enthalten. Die Stoffe, die bei der Zementierung
eines Stahls aufkohlend wirken, sind Methan C H4, Kohlenoxyd C O und die Kohlenstoffverbindungen
C" H",. Letztere haben die Eigenheit, im Ofen bei den normalen Zementierungstemperaturen
eine Spaltung zu erleiden unter Wiederbildung einer Schicht fester Kohle, was zur
Folge haben kann, daB die Zementierung verzögert und die Tiefe der Zementierungsschicht
verringert wird.
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Das Methan hat die Eigentümlichkeit, eine Zementierungsschicht zu
liefern, die an der Oberfläche reich an Kohle (übereutektische Schicht), aber verhältnismäßig
wenig tief ist. Im Gegensatz hierzu liefert Kohlenoxyd eine weniger kohlereiche
Zementierungsschicht
(untereutekti.sche Schicht) als die vorgenannte,, die aber dafür weiter vorschreitet.
Der Zusammenhang dieser Wirkungen, d. h. die Veränderung des Kohlegehaltes mit der
Tiefe der zementierten Schicht kann folglich entsprechend dem gegenseitigen Verhältnis
von Methan und Kohlenoxyd im verwendeten Gas schwanken.
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Die Betrachtung der durch das Stadtgas hervorgerufenen Reaktionen
ergibt äquivalenzmäßig: 3Fe+2COz-- Fe3C+C02 3Fe+CH4 =;#2 Fe. C+2H2 Fe + H2 O Fe
O + H2 Fe + C02 Fe 0 + CO Die der Zementierung günstigen Reaktionen sind jene, die
nach den beiden ersten Gleichungen von links nach rechts verlaufen. Die in gleicher
Richtung verlaufenden Reaktionen nach den beiden letzten Gleichungen neigen dazu,
die Zementierung zu hemmen. Hieraus ergibt sich, daß die die Zementierung behindernden
Elemente der Wasserstoff, <las Kohlenoxyd und der Wasserdampf sind.
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Damit nun die Zementierung möglich wird, muß das chemische Gleichgewicht
zwischen dem Eisen und den Gasen, welches vom Massenwirkungsgesetz beherrscht wird,
ein solches sein, daß sich die Reaktionen im Sinne der Aufkohlung des Eisens und
der Reduzierung .des Eisenoxyds vollziehen. Man wird also dazu geführt, einerseits
die Werte der Partialdruckverhältnisse
andererseits die Werte der Konstanten des M assenw-irkungsgesetzes jeder der vier
in Frage stehenden Reaktionen zu berücksichtigen.
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Bei einem Stadtgas nach eingangs genannter Zusammensetzung sind das
Verhältnis
und die zugehörige Konstante so, daß sich die Reaktion im Sinne der Aufkohlung bei
den normalen Zementierungstemperaturen des Stahls vollzieht. Im übrigen genügt ein
Gehalt an Methan von i bis 2 % für den unter Aufkohlung sich vollziehenden Verlauf
der Reaktion.
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Das Verhältnis ist dagegen so, daß bei den gleichen Bedingungen
die Reaktion im Sinne der Entkohlung stattfindet. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt,
daß die Zementierung durch das Methan überwiegt und daß es deshalb nicht nötig ist,
alle Kohlensäure zu entfernen. Man hat sogar festgestellt, daß ein kleiner Prozentsatz
von Kohlensäure (i bis 2 %) keinerlei Schaden verursacht, im Gegenteil sogar vorteilhaft
ist, weil er eine konzentrierte Schicht von Zementit (Fe. C) verhindert, die im
allgemeinen nicht wünschenswert ist.
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Das Verhältnis des beigemischten Wasserdampfes zum Gas kann für die
laufend benutzten Temperaturen ein solches sein, daß es die Zementierung behindert,
wiewohl der Wert des Verhältnisses einer Reduktion des Eisenoxyds entspricht.
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Gemäß der Erfindung wird nun ein Stadtgas verw=endet, das zunächst
durch eine auf 90o bis i ooo° C aufgeheizte Vorkammer geführt, dann einer Wasserentziehung
durch irgendein bekanntes Mittel unterworfen und schließlich in einen auf 90o bis
iooo° C aufgeheizten Ofen eingeführt wird, der das Zementierungsgut enthält.
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Die Zeichnung stellt eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Zementierungsanlage
dar. Das Gas wird durch die mit einem Hahn 2 versehene Leitung i zugeführt und verteilt
sich auf mehrere Kammern 3, :1, 5, die mit Eintrittshähnen 6, 7,. 8 ausgestattet
sind. Diese Kammern werden durch elektrische Widerstände 9 auf eine Temperatur von
90o bis 100o° C aufgeheizt.
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Eine der Kammern, z. B. 3, ist leer. Die Heizung bewirkt hier eine
völlige Zerstörung aller Kohlenstoffverbindungen C,11" durch Spaltungsvorgänge und
außerdem auch die teilweise Zersetzung von C H4 und C02. Die Kammer d enthält Holzkohle,
die mit CH4, C02 reagiert; die Kohlenstoffverbindungen zersetzen sich wie im vorhergehenden
Fall.
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Die Kammer 5 enthält einen Katalysator, z. B. Eisenspäne, die auf
90o° C gebracht sind. Dieser Katalysator erleichtert vor allem den gesamten Abbau
der Kohlenstoffverbindungen C, H" und in zweiter Linie die partielle Zersetzung
des Methans nach der Reaktionsgleichung CH,, :z;#22z C + 2 112. Das unter solchen
Bedingungen erhaltene Gas weist die folgenden Eigenschaften auf: Abwesenheit von
Kohlenstoffverbindungen C" H"" schwachen Gehalt an C02, bedeutenden Gehalt an
CH" Abwesenheit von Schwefelverbindungen, was insbesondere für die "Zementierung
von Nickelstählen günstig ist.
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Durch Betätigung der Hähne 6, j, 8 kann man den Gasdurchgang durch
die Kammern 3, .1, 5 derart regeln, daß entweder das Gas aus einer einzelnen von
ihnen oder eine Gasmischung aus mehreren Leitungen zur `'erw-endung kommt. Das so
erhaltene Gas wird in eine Kammer io eingelassen, wo es entwässert wird, z. B. durch
Führung über Silicagel oder durch eine genügende Abkühlung. Die Austrittsleitung
i i endet in der Kammer 12 des Zementierungsofens, der beispielsweise durch Widerstandsdrähte
13 beheizt wird und mit Endteilen 1.1, 15 versehen ist. Das Zementierungsgut
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ist auf einen Träger i8 derart gesetzt, daß es von allen Seiten durch den
von der Leitung i i zage- . führten Gasstrom umspült wird.
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Im Falle der Verwendung von Ofen großer Abmessungen kann es nötig
sein, im Innenraum durch irgendwelche bekannten technischen :Mittel einen verstärkten
Umlauf des Zementierungsgutes herbeizuführen.
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Der Gasabgang erfolgt durch die Leitung i9. Der Ofen io wird auf eine
Temperatur von 90o bis iooo° C aufgeheizt. Um eine Regelung der Heizung zu ermöglichen,
enthält der Ofen ein elektrisches Thermoelement 16, das mit einem Temperaturanzeiger
2o verbunden ist.
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Durch die Unterdrückung der Kohlenstofverbindungen C"Hm im Zementierungsgas
wird jegliche Ablagerung fester Kohle auf den behandelten Stücken vermieden.
Die
'Methode der Ver@vendung eines Katalysators auf Eisenbasis gestattet die Durchführung
einer fortgesetzten Ver:inderung und fortschreitenden prozentualen :Xl»ialime des
Kohlenstoffgehaltes im Stahl von der _ltißenfläche des Behandlungsgutes (wo (las
Kohlenstott-Stahl-Verhältnis das Höchstmaß erreicht) bis zur Innenpartie (wo dieses
Verli:iltnis auf seinem _@usgangswert verbleibt).
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Es ist selbstverständlich, daß die schematische Zeichnung keinerlei
begrenzenden Charakter hat und für die Ausführung der Erfindung alle hel;annten
und geeigneten Konstruktionen und Konstruktionsanordnungen verwendbar sind.